顶管穿越铁路设计施工中的控制与管理——以给水管道穿越郑州至新郑机场城际铁路为例

王志斌

(中铁工程设计咨询集团有限公司）

1 引言

国家推进城市的建设发展，首当其冲的是城市基础设施的规划建设，包括合理的给排水建设。目前，城市中的给排水建设工程通常采用大开挖、顶管施工等施工工艺。大开挖施工对既有地面破坏严重，尤其是穿越道路的项目，不仅会对道路造成破坏，施工过程中同样会存在断路现象，对城市的交通造成影响。而顶管施工会在很大程度上避免诸类现象的发生。

随着顶管施工工艺的发展，它的优势越来越受人们的欢迎，但顶管施工对施工地段的地质条件、机械设备、工人技术水平要求比较高，因此，顶管施工质量越来越受人们的重视[1]。

2 工程概况

本工程位于河南省郑州市四港联动大道与郑港十一路交叉口附近，给水管道与郑州至新郑机场城际铁路发生交叉，深度6.81m。防护涵管采用φ2150mm钢筋混凝土管，管长为41m。

本工程穿越设计时速为250km/h的郑州至新郑机场城际高铁，且郑机高铁已经进入试车阶段，即将通车运行，因此，施工过程中，要求减少对高铁路基的扰动，确保郑机高铁的安全。根据地勘报告本工程所在位置具有杂填土、粉土、粉质黏土、黏土等土层。地下水层主要有上层滞水、下层承压水，上层滞水处于粉土土层中，主要补给方式为大气降水和地表水，受地势影响较大。下层承压水处于粉质黏土中，地下水位变化较小，横向补给是地下水的主要来源，且此地区地下水位较高。

本工程设计施工的技术难点为：①地下水位较高，顶管施工中需要降水，而大面积降水会对高铁路基产生影响。②施工场地狭窄，在顶管施工过程中，存在顶进坑和接收坑开挖和支护问题。③高铁地基为高预压处理地基；顶管作业路径为：从天然地基穿越高预压处理地基再回到天然地基；因此，设计施工中需要考虑顶进过程中对地基的扰动，引起的土应力的释放从而导致路基沉降。

3 设计措施

3.1 帷幕桩设计

顶管设计过程中需要对地下水降水问题进行考虑，尤其在不稳定土层中，若设计不当，极易引发事故[2]。为保证工程质量，在顶进坑与接收坑周边采取措施如下：在工程开挖前，采用高压旋喷工艺对顶进和接收坑四周分别设置一圈止水帷幕桩，将坑体地下水与周边地下水进行了隔断，避免了大面积降水产生路面沉降现象，同时，也对坑体周边土体进行了加固。

3.2 顶进、接收坑坑体支护

由于施工场地狭窄，顶进、接收坑开挖形式为垂直开挖，支护方式为钢板+钢梁支护。顶进施工过程中，顶进机后背墙土体被动土压力较大，钢板+钢梁支护可以保证坑壁变形的协调一致性，同时，施工完成后钢板和钢梁可以重复使用，降低了工程成本。

3.3 化学注浆

本工程顶进路径为：天然地基层—高预压处理地基层—天然地基层，土的压实度不同，顶进机的正面主动土压力随着顶进过程而变化，在不同地基层交界处，周边土层及导轨的摩擦力无法与之抗衡，容易产生顶进机的反弹，难以控制顶进机的顶进方向。从天然地基层顶入高预压处理地基层时，易倾向于向下爬低；从高预压处理地基层顶入天然地基层时，易倾向于向上爬高。为避免这一问题的出现，设计过程中，在顶进机顶进路径上，天然地基层采用了化学注浆设计，同时，化学注浆对天然地基层起到了压实挤密作用，一定程度上减小了顶进过程中对原状土扰动而引起的不均匀沉降现象。

3.4 顶力计算

顶进机后背墙设计依据为顶管顶进过程中产生的顶进力的大小。顶进机总顶力由2部分组成：顶管正面阻力和顶管周围的摩阻力，因此，计算总顶力的公式如下：

式中，F为顶管顶进过程中产生的总顶力，kN；F1为顶管正面阻力，kN；F2为顶管周围摩阻力，kN。

顶管正面阻力的计算公式为：

式中，D为顶管外径，m；e为开口率；R为挤压阻力，kN/m2，取R=300～500kN/m2。

其中，开口率e的取值为：

式中，S1为顶管开口面积，m2；S2为顶管横截面积，m2。

顶管周围摩阻力的计算公式为：

式中，L为顶管总长度，m；f2为单位长度顶管摩阻力，kN/m。

其中，单位长度顶管摩阻力的计算公式为：

式中，D为顶管外径，m，顶管采用的管材一般其壁厚为其内径的1/10；f为顶管与土的平均阻力，kN/m2，如表1所示。

采用以上公式计算，本工程采用4个300t的千斤顶顶进,上下各2个,额定最大顶力为1200t，根据施工经验，按75%利用率计算，总顶力为9000kN。

4 施工措施

本工程顶进方向为直线顶进，施工过程中，通过坐标控制，保证顶进的方向，同时，在顶进过程中采取相应措施，确保顶进坡度满足设计要求[3]。

4.1 施工工序

帷幕桩施工—工作坑开挖—基坑底基础及坑体支护—安装导轨—设置后背墙—安装主顶设备—安装顶管机头—安置起重机械—安置土方运输设备—安放管节—顶进—砌筑检查井。

4.2 控制要点

1）铺设引导轨

引导轨起到对顶管前进方向中心线和顶进坡度的控制作用，因此，引导轨的安装、紧固、连接应做到准确、牢固。引导轨铺设完成后，要对引导轨进行复测、复验。对引导轨的中心线、坡度进行定期检查，做好现场记录。

2）顶管间的连接

常用的连接方式为：钢管焊接、混凝土管采用黏结剂进行封堵。目的为防止管内流质泄漏对周围环境造成影响或周围土在主动土压力下渗入管内，污染管内流质。但管管之间连接时，应控制后管与管之间的轴线及相邻两管之间的坡度满足设计要求[4]。

3）注浆减摩

注浆减摩是顶管施工中非常重要的一个环节，顶管顶进过程中受到管壁和土体间的摩阻力影响。采用注浆，可以在管壁与周围土体间形成一层润滑层，以减小顶进过程中的摩阻力，同时，浆体会对顶管周围局部不密实土体起到一个填充挤密的作用。

4）顶管顶进过程中的控制

顶管顶进过程中，最难也是最重要的是顶管之间的轴线控制。①进洞轴线控制，即在施工前对每节管进行编号，标注每根管的顶进顺序。通过计算，确定每根管顶进时的坡度、顶进力度、顶进速度。②顶进过程中的控制，即顶进过程中，按计算结果合理控制顶进机的顶进力，设置合理的顶进夹角。派专人进行不间断测量，及时把控顶管的走向、高程和轴线。③施工完成后的复核，即为防止顶进过程中每根管道的误差积累出现在顶管的出口，因此，顶进完成后对顶管出口段进行检查是否满足设计要求，同时，检查顶进过程中是否出现超挖等现象，出现问题，及时采取补救措施。

5 施工控制及管理

5.1 施工控制要点

1）对有可能造成破坏的铁路路面进行监测，其方法是在防护涵管φ2150mm钢筋混凝土管上方的铁路及周围路面设置沉降观测点，施工作业过程中每天指定专人进行沉降观测，如出现沉降或沉降超出合理范围，停止施工，找出造成沉降的原因，采取相应补救措施。

表1 顶管壁与土的平均磨擦力（f）

2）在施工作业过程中，常用的预防地面沉降的措施主要有：①控制开挖量避免超挖；②根据地勘资料，对顶进过程中不同土层采用相应的注浆压力，控制注浆速度，均匀注浆；③顶进过程中根据实际情况设置合理的顶进速度，尽量减少对顶管周围原状土的扰动。

5.2 施工管理措施

1）现场制定一套合理的管理办法，建立相应的管理机构，职责分明。

2）与设计单位、监理单位积极沟通，做好图纸的交底工作，形成图纸会审纪要。

3）编制施工组织设计并报建设、设计、监理单位认可。对于特殊工点、关键节点编制作业指导书，并对相应人员进行施工培训，规范施工，同时制定重大事故预防措施。

4）专业技术人员持证上岗，施工机具及测量仪器必须在合格检校范围内。

5）所有进场原材料必须提供合格证，并按规范要求现场采样送检有资质的实验室进行试验，确保现场材料的质量。

6）科学有序施工，禁止蛮干、盲干，树立大局意识，把控好质量关，将质量隐患遏制在萌芽中。

7）对工人进行安全培训，进行技术交底，上工前做好安全防护，施工过程中设立专人进行安全巡检，杜绝现场出现人身安全问题。

6 结语

顶管施工是市政工程穿越铁路和城市交通中行之有效的施工工艺，受诸多因素的影响，顶管施工对顶进过程中的土层特性要求较高，为提高施工质量，需要在设计、施工阶段分别针对工程项目的特点及敏感点采取一定的技术措施，加强对各个环节的质量把控。本工程作为一个穿越高速铁路的顶管设计施工应用案例，希望对以后的同类工程有借鉴作用。